基于EtherCAT总线的超精密运动控制系统设计
这是一篇关于运动控制系统,EtherCAT,超精密,主站控制器,上位机的论文, 主要内容为以EtherCAT为代表的工业以太网技术是网络技术和自动化控制技术在发展过程中相互结合的产物,其凭借优越的通信性能逐渐成为下一代自动化设备的标志性技术。目前国内研发的超精密装备大多数依赖国外的高端运动控制器为核心构建控制系统,在运动控制器方面受到国外技术垄断的威胁。因此,本文希望借助EtherCAT总线能够达到高性能的运动控制数据通信的特点,初步开发一套超精密运动控制系统框架,尝试在基于EtherCAT总线的情况下实现简单运动轨迹的超精密运动控制。本文将为后续自主研发超精密装备的数控系统提供理论和技术支持。本文研究了EtherCAT总线的技术原理,并对如何搭建运动控制系统的EtherCAT模块进行了方案设计;对目前多种常见的EtherCAT主站搭建方案进行分析,选取了合适的硬件设备和软件架构,通过Xenomai内核对操作系统进行了实时性改进;选取了用于调试的从站设备,将主站和从站连接之后测试了主站的功能是否正常,获取了主从站设备在EtherCAT总线中的具体信息;基于EtherCAT总线的技术原理,通过C语言编写了主从站通信的程序,尝试通过主站对从站设备发送简单的控制指令。根据运动控制系统的需求,对上位机的功能进行了开发。为控制系统设计了一套专用的G代码编译软件,使上位机能够将输入的普通G代码文件编译成主站控制器能够识别的具有特定格式的中间数组文件;设计了一套用于上位机与主站控制器通信的SSHTest软件,使上位机能够与主站控制器进行指令传输和文件传输;在SSHTest软件的基础上开发了一个简单的运动控制界面,使用户能够通过上位机对从站设备实现简单的运动控制。结合上位机的设计,开发了超精密运动控制系统主站控制器的功能。针对主站控制器内的“双内核”系统架构,设计了Linux进程与Xenomai进程之间跨域通信的方法;设计了直线插补和圆弧插补算法,将主站控制器无法识别的G代码指令信息解析成多个运动轴的控制信息;对插补数据的存取和处理进行了设计,确保数据能够在主站控制器内高效、安全、有序的传输。在完成了整个超精密运动控制系统框架的设计工作之后,对系统的实时性进行了测试,对气浮直线轴开展了控制实验。对经过实时内核改造的操作系统进行了任务调度延迟性测试,并对EtherCAT模块的周期性通信进行了实时性测试,避免由于实时性差的原因对系统的控制性能产生不利影响;搭建了气浮直线轴控制的实验平台,利用激光干涉仪对单轴控制精度进行了测试,之后检验了G代码控制双轴运行是否正常,并借助光谱共焦传感器完成了对双轴联动控制精度的测试。
基于UDS协议的电动装载机整车控制器软件刷写机制及上位机系统研究
这是一篇关于电动装载机,整车控制器,软件刷写,上位机,CAN总线,诊断协议的论文, 主要内容为随着国家层面在“双碳”政策方面的推广和在电动化方面的不断扶持,推动工程机械电动化以实现绿色发展的行动提上议程。我国电动工程机械正处于关键萌芽阶段,以装载机为代表的工程机械电动化方兴未艾。整车控制器作为电动装载机的整车控制核心,其应用软件性能的优劣将直接影响电动装载机运作情况,当应用软件自身出现漏洞或者需要进行功能扩展时,需要对整车控制器进行软件刷写。由于目前工程机械在电动化领域尚无行业标准,国内各企业在整车控制器软件刷写方面多采用自定义协议,形成了技术壁垒,不利于行业整体发展。此外,上位机作为整车控制器软件的一部分,由于各机型中的CAN(Controller Area Network,控制局域网)网络上层协议标准不一,各企业一般只针对特定机型进行开发。本文以一款基于ST公司STM32F105VCT6微控制器的1.6 t电动装载机整车控制器为平台,研究CAN通信技术及相关国际标准,结合实际整车控制器软件刷写和监控需求,设计一套通用性广、可移植性强的电动装载机整车控制器软件刷写及上位机系统,包括整车控制器Bootloader软件和上位机软件,旨在解决当前国内电动装载机行业整车控制器软件不完善、刷写流程不规范等问题,助力具有自主知识产权的国产电动装载机整车控制器研发。本文的研究工作如下:首先,本文对电动装载机整车控制器软件刷写及上位机系统提出了需求分析。第一明确了系统需要实现整车控制器应用程序刷写和电动装载机运行参数监控两种功能;第二分析了系统基于电动装载机CAN网络进行通信,上层协议兼容UDS(Unified Diagnostic Services,统一诊断服务)协议(ISO15765-2/ISO14229)和SAEJ1939协议;第三说明了系统所应实现的安全机制,包括安全访问、数据加密、数据压缩和数据校验。通过分析系统需求,确定了电动装载机整车控制器软件刷写及上位机系统总体方案,重点包括整车控制器Bootloader软件和上位机软件的设计。其次,本文设计并实现了电动装载机整车控制器Bootloader软件和上位机软件。根据UDS协议,确定了Bootloader刷写应用程序的流程,设计了Bootloader软件整体方案,对每一个模块的具体实现进行了说明,并探讨了Bootloader所实现的安全性机制。上位机软件基于PC(Personal Computer,个人计算机)端Qt软件开发,用于配合整车控制器基于UDS协议进行应用程序刷写和基于SAEJ1939协议进行电动装载机参数监控,重点设计了其软件运行逻辑和人机交互界面。最后,本文通过试验台测试和实车测试对电动装载机整车控制器软件刷写及上位机系统的功能和性能进行验证。测试结果表明,本文所实现的软件已达到设计需求,所设计的系统能够完成预期功能,为电动装载机领域乃至电动工程机械领域中整车控制器项目的开发提供了技术参考。
分布式光伏储能发电功率预测及监控系统研究
这是一篇关于光伏储能发电,光伏监控,光伏功率预测,上位机,远程监控的论文, 主要内容为新能源需求日益增长,分布式光伏发电产业规模不断扩大。而光伏发电因受多因素影响而极不稳定,不利于电网安全和电力调度。因此,建立分布式光伏储能发电监控系统,对系统状态进行实时监测,预测未来发电功率,实现对光伏系统的监控意义重大。本文分析了分布式光伏储能发电功率预测与监控技术的发展现状,设计光伏功率预测模型并将其嵌入监控系统,建立上位机与远程监控系统。论文主要工作如下:(1)设计光伏储能发电监控系统总体框架。研究光伏发电系统、储能系统结构以及蓄电池充电原理,设计光伏发电系统、储能系统、气象数据等关键信息采集模块;通过分析光伏监控数据和功能需求,设计上位机与远程监控系统的界面布局,确定光伏储能发电系统整体框架。(2)研究基于ADARNN-Stem GNN(Adaptive Recurrent Neural Networks-Spectral Temporal Graph Neural Network)的光伏发电功率预测技术。分析了ADARNN与Stem GNN算法原理并训练模型,实验结果均无过拟合与欠拟合现象。将光伏融合预测模型与长短时记忆网络、梯度提升算法进行预测对比,结果表明融合模型能更好地拟合功率曲线,均方误差低至0.047。(3)建立基于C#的光伏上位机监控系统。设计数据通信模块与阿里云数据库,建立多功能光伏上位机监控系统,并成功嵌入光伏功率融合预测模型。实验结果表明,系统能够实时获取并更新监控数据与光伏功率预测值,将光伏数据与数据文件分别更新至云数据库和上传至云服务器。(4)建立前后端分离的光伏远程监控系统。部署基于Spring Boot框架的光伏后端服务器,设计光伏数据访问与下载接口;建立基于React的光伏前端监控系统,完成远程监控界面设计。实验结果表明:光伏服务器启动正常,接口能正常访问,前端监控界面各模块每1秒更新一次。(5)实验验证光伏储能发电监控系统功能与性能。进行光伏并网发电、蓄电池充放电和气象采集试验,验证光伏功率预测、光伏上位机与远程监控系统相关功能。结果表明:系统储能发电功能正常,融合模型短期预测精度大于95%,上位机与远程监控系统能实时更新数据,响应时间小于0.25秒,显示值与数据库存储值相同,功能测试正常。
粉体助剂配化料系统设计与开发
这是一篇关于粉体助剂,迭代学习控制,大小螺旋称料,上位机,PLC的论文, 主要内容为筒子纱染色过程中需要加入大量的粉体助剂来辅助染色,传统方式通过手工称料配料并运送到现场染色机,由染色机操作工手动慢速加入到染色机的辅助缸中化料,倒料不可以过快,过快容易结晶堵塞辅助缸底部管道,该方法人工劳动强度大、称料精度不可控、粉尘飞扬严重、无法保证筒子纱染最终质量。国外已经研发出全自动的粉体助剂配化料系统,自动化程度高,但存在一些设备功能及工艺无法满足国内情况、采购成本很高、售后服务跟不上等问题。再加上国内劳动力成本越来越高,染厂配料工工作环境差招人困难,因此开发自主知识产权的粉体助剂配化料系统符合我国筒子纱染色行业的迫切需求。粉体助剂配化料系统是一个集粉体助剂储存、粉体助剂称料、粉体助剂化料和输送助剂溶液于一体的自动化设备。整套设备由多个部分和设备组成,每一个部分负责一部分相关的功能,相互配合完成粉体助剂配化料及输送任务。本文通过对粉体助剂配化料及输送进行分析,综合运用了机械、自动化、计算机、传感器、工业以太网、组态软件等方面的知识,研究与设计了粉体助剂配化料系统。本文分析了粉体助剂配化料及输送过程中的几个关键环节和技术进行了如下几个方面的研究:1、根据粉体助剂配化料工艺要求,结合主要粉体助剂的特性,从系统的实用性、稳定性、称料精度和整体效率的角度确定了粉体助剂配化料系统的整体设计方案。按照模块化的设计思想,把系统按照设备功能和结构特点进行划分,把系统分为多个模块并进行了设计。2、为了保证任务及时性、公平性、以及提高化料缸的利用率,研究了本系统基于优先级多任务的调度方法。为了提高称料的速度和精度,研究开发了接力大小螺旋称料系统,采用分次称料方式降低单次称料的范围提高了小料的称料精度,通过多次称料也保证了需要的称料范围。通过迭代学习控制自动调节大螺旋阀门关闭值,使大螺旋的落料误差在称料精度允许误差内,配合粗称料和精称料,以便尽可能的不启用小螺旋称料,提高整体的称料速度。3、化料需要水达到合适的温度,本系统利用工厂内冷热水混合得到,化料缸内和进水管道上安装有快速温度传感器,冷水温度在一定时间内为一定值,只有热水温度值波动较大,冷热水混合温度控制采用以水的总热能为目标的闭环反馈控制方法控制;冷水是随着季节气温变化而变化,变化缓慢,冷水温度采用了自学习方法来调整自身的温度,使水温控制的精度更高。4、设计了控制系统的硬件结构,设计了本系统的通讯网络,研究了本系统的硬件抗干扰措施。根据本系统的控制要求和工艺要求,开发了本系统的上位机软件和PLC软件。5、研究了本系统心跳机制、任务数据的累加和校验机制,保证了 PC与PLC通信过程中的任务安全。研究了本系统的看门狗机制、传感器实时检测和自动故障处理机制,保证系统的设备安全性。6、本课题研发的粉体助剂配化料系统已经运用到了实际生产中,通过实际运行数据分析了控制效果。分析本系统的安全性、可靠性、稳定性,与国外设备对比分析了本系统的技术创新性。
基于WSN的高层建筑物地基沉降动态监测系统的设计与实现
这是一篇关于高层建筑物,无线传感网,CC2530,JAVA Web,上位机,灰色模型的论文, 主要内容为随着社会的发展,城市土地资源变得越来越紧张,城市中的高层建筑物拔地而起,高层建筑物的安全问题被更多的人关注。近年来,高层建筑物在施工过程及运营阶段出现不同程度的倾斜或垮塌现象,给个人和国家带来巨大的损失。为了减少这些的损失,对高层建筑物的变形监测是必须的。其中地基沉降是建筑物变形的最重要因素之一,设计一种能够动态监测高层建筑物地基沉降数据、判断高层建筑物地基沉降趋势与变化规律、有动态预警功能的系统,对高层建筑物的施工阶段和运营阶段显得非常重要。本课题,针对上述问题设计实现了基于WSN的高层建筑物地基沉降动态监测系统。系统考虑到高层建筑物在施工过程中环境复杂,不易布线、各个沉降监测点之间数据传输距离在几十米左右、数据量较大,故采用了ZigBee无线传输方式。在地基沉降监测状态下,如果位移传感器节点的直线微位移传感器检测到位移超限,位移传感器节点中的液晶显示屏上显示报警信息,同时将位移超限信息发送到路由器中转到协调器或者直接发送至协调器,协调器再将接收到的报警信息通过串口发送至上位机,上位机将数据存储到数据库表中。管理员可以通过上位机访问地基沉降的实测值和预测值,并可生成数据曲线图,查看动态预警中心等。本课题设计了高层建筑物地基沉降监测点的布局及地基沉降的监测方式,设计并实现了上述基于WSN的高层建筑物地基沉降动态预警系统的下位机软硬件和上位机系统部分。对系统作了需求分析,设计了系统的总体架构。对ZigBee网路设备、串口通讯工具、上位机系统做了功能性分析,详细介绍了高层建筑物地基沉降动态监测系统的整个工作流程。系统采用了模块化设计思想,设计实现了高层建筑物地基沉降动态预警系统的硬件设备,如位移传感器节点、路由节点、协调器节点等ZigBee网络设备,接着介绍了位移传感器节点、路由节点协调器节点的软件设计与现实,同时对ZigBee传输数据格式进行了设计。最后,设计了基于B/S架构的Java Web预警系统,使用了开源框Hibernate、Struts,和数据库MySQL。在数据处理方面,使用灰色模型来预测地基沉降变化趋势。设计了Java Web远程预警界面。实现了对地基的多个沉降监测点的实时监测和预警可视化界面。
基于STM32无线多通道肌电和运动学数据采集系统设计
这是一篇关于肌电信号,惯性信息,无线传输,多通道,上位机的论文, 主要内容为随着我国人口老龄化不断加剧,脑卒中患者数量日益增加,未来我国将会有大量因脑卒中导致的偏瘫患者。因此研究如何应用工程学方法进行功能性康复训练,最大程度地帮助偏瘫患者恢复或增强患侧肢体运动功能具有重要意义。课题组前期采用肌电控制技术研发用于促进脑卒中患者瘫痪肢体运动功能恢复的原型系统。为了验证该原型系统重建瘫痪肢体运动功能的可行性、有效性以及科学性,需要研制一款基于肌电信号和运动学数据的便携式运动功能恢复评价系统。本论文基于此,研究设计一款低成本、便携式的多通道肌电信号和惯性传感器数据采集系统,实时采集偏瘫患者的生物学信息和人体运动学数据。本文主要研究工作如下:1.研究国内外肌电信号和惯性信息采集现状,分析本系统需求,并在此基础上设计无线多通道数据采集系统的整体架构,对各模块方案选择和关键技术进行分析。2.设计了无线多通道数据采集系统的硬件部份。设计肌电探测电路,实现肌电信号的放大、滤波预处理,抑制和滤除噪声信号,提高肌电信号采集质量;采用嵌入式设计硬件主控电路,将系统无线传输模块、惯性传感器模块与系统控制核心电路级联,实现各模块电路的硬件集成。3.设计无线多通道数据采集系统的软件部份,包括嵌入式软件程序和Matlab GUI上位机软件程序。嵌入式软件程序是通过微控制器对各模块驱动和任务调度,实现肌电信号和惯性数据采集和传输;上位机软件程序实现肌电信号和惯性数据波形的实时显示、存储,对离线信号实现波形重显、频谱分析、时频域特征值分析以及软件数字信号处理等。对设计的数据采集原型系统进行性能测试和分析,表明本研究设计的系统能够获取、显示、、存储和重播人体体表肌肉肌电信号和肢体运动学数据。此外,本系统上位机软件能够进行肌肉疲劳监测,对采集的信号进行滤波处理和时频域特征分析等。因此本数据采集系统基本满足了课题组评价穿戴式康复训练系统重建脑卒中患者瘫痪肢体运动功能有效性的功能需求。
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